DE102014101840A1

DE102014101840A1 - Analoge Mindest- oder Höchstspannungsauswahlschaltung

Info

Publication number: DE102014101840A1
Application number: DE201410101840
Authority: DE
Inventors: Mosche Gerstenhaber; Sandro Herrera
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2013-02-19
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: CN103997324A; DE102014101840B4; TW201502532A; JP2014161011A; TWI529398B; US8872549B2; JP5781175B2; CN103997324B; US20140232435A1; DE102014101840A8

Abstract

Eine Schaltung weist mehrere Eingangsteilschaltungen auf, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt sind. Jede Eingangsteilschaltung weist eine Transkonduktanzzelle auf. Eine Diode ist zwischen den Ausgang der Transkonduktanzzelle und den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt. Eine Rückkopplungsschaltung ist zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten und einen zweiten Eingang der Transkonduktanzzelle gekoppelt. Ein Spannungsfolger ist zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten und eine Bezugsspannung gekoppelt, wobei ein Eingang an den Ausgang der Transkonduktanzzelle gekoppelt ist.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei analogen Steuersystemen kann es notwendig sein, dass unterschiedliche Leiterbahnen eine Steuerspannung an einem gemeinsamen Ausgang zu unterschiedlichen Zeiten einstellen. Daher kann Bedarf an einer Schaltung bestehen, die die Steuerspannungen der einzelnen Leiterbahnen erkennen kann, um die Gesamtsteuerspannung zu bestimmen. Bei Systemen mit negativer Rückkopplung beispielsweise kann die Gesamtsteuerspannung unter mehreren Steuerspannungen auf eine Mindestspannung eingestellt werden. In anderen Anwendungen kann eine Höchstspannung benutzt werden.
Als eine Beispielanwendung eines analogen Steuersystems können in Batteriekonditionierungssystemen zwei separate Leiterbahnen benutzt werden, um einen Leistungswandler zu steuern, der eine Batterie auflädt und entlädt. Eine Schleife kann eine stromgesteuerte Leiterbahn sein, während die andere eine spannungsgesteuerte Leiterbahn sein kann. Während eines Aufladevorgangs können diese Schleifen um die Steuerung des Ladestroms der Batterie konkurrieren, indem sie versuchen, die Steuerspannung des Leistungswandlers einzustellen. Eine Minimumauswahlschaltung kann auswählen, welche Leiterbahn den Leistungswandler steuert.
Es sind verschiedene Minimumauswahlschaltungen oder Maximumauswahlschaltungen bekannt. Eine übliche Mindest- oder Höchstspannungserkennungsschaltung kann den Nachteil aufweisen, dass sich die Transferfunktion von einem beliebigen Eingang der Schaltung zum Ausgang nicht ohne Weiteres ändern lässt. Aus diesem Grund muss eine abweichende Transferfunktion mit zusätzlichen Schaltungen implementiert werden, was die Komplexität und die Kosten von Gesamtschaltung und -system erhöht.
Einige Schaltarchitekturen können lange Übergangszeiten aufweisen. Sie können Zwischenausgänge aufweisen, die an die Versorgungsschiene geleitet werden (beispielsweise +/–15 V), was die zum Umschalten von einem bisherigen Ausgang einer Mindest- oder Höchstspannung benötigte Übergangszeit verlängern kann. Anstiege der Übergangszeit können zu Spannungsfehlern am Ausgang der Auswahlschaltung führen, die die Leistung des Gesamtsystems beeinträchtigen können.
Daher kann Bedarf an neuartigen Mindest- oder Höchstspannungserkennungsschaltungen und -systemen bestehen, die beliebige Transferfunktionen in ihrer Rückkopplungsschaltung implementieren können, während sie zugleich eine geringe Übergangszeit beim Umschalten und eine bessere Gesamtgeschwindigkeitsleistung aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
1B zeigt eine Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung aus 1A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2A zeigt eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2B zeigt eine Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung aus 2A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3A zeigt eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3B zeigt eine Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung aus 3A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4A zeigt eine Schaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4B zeigt eine Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung aus 4A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine beispielhafte Transkonduktanzzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt eine weitere beispielhafte Transkonduktanzzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Schaltung bereit, die mehrere Eingangsteilschaltungen mit Ausgängen aufweist, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt sind. Jede Eingangsteilschaltung weist eine Transkonduktanzzelle mit einem Eingangsspannungsdifferenzsignal und einem Ausgangsstromsignal auf. Eine Diode kann zwischen den Ausgang der Transkonduktanzzelle und den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt sein. Eine Rückkopplungsschaltung kann zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten und einen Eingang der Transkonduktanzzelle gekoppelt sein. Ein Spannungsfolger kann zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten, den Ausgang der Transkonduktanzzelle und eine Bezugsspannung gekoppelt sein, wobei ein Spannungseingang an den Ausgang der Transkonduktanzzelle gekoppelt ist, ein Spannungsausgang an den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt ist und ein gemeinsamer Anschluss an eine Bezugsspannung gekoppelt ist.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Schaltung bereit, die mehrere Eingangsteilschaltungen aufweist, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt sind. Jede Eingangsteilschaltung weist eine Transkonduktanzzelle mit einem Eingangsspannungsdifferenzsignal und einem Ausgangsstromsignal auf. Eine Rückkopplungsschaltung kann zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten und einen Eingang der Transkonduktanzzelle gekoppelt sein. Ein Spannungsfolger kann zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten, den Ausgang der Transkonduktanzzelle und eine Bezugsspannung gekoppelt sein, wobei ein Spannungseingang an den Ausgang der Transkonduktanzzelle gekoppelt ist, ein Spannungsausgang an den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt ist und ein gemeinsamer Anschluss an die Bezugsspannung gekoppelt ist. Für jedes Paar Eingangsteilschaltungen kann ein Paar Dioden parallel und relativ zueinander entgegengesetzt verbunden sein und eine Koppelung zwischen den Ausgängen der Transkonduktanzzellen herstellen.
Jede der Eingangsteilschaltungen kann eine im Voraus festgelegte Transferfunktion ausführen, die mit einer lokalen Rückkopplungsschaltung eingestellt werden kann. Daher kann das Verhalten der Mindest- oder Höchstwertauswahlschaltung mathematisch beschrieben werden durch: V_OUT = MIN[F₁(V_IN1, I_IN1), F₂(V_IN2, I_IN2), F₃(V_INV3, I_IN3), ..., F_N(V_INN, I_INN)], Gl. 1 V_OUT = MAX[F₁(V_IN1, I_IN1), F₂(V_IN2, I_IN2), F₃(V_IN3, I_IN3), ..., F_N(V_INN, I_INN)] Gl. 2 wobei V_IN1–V_INN Spannungseingänge sind, I_IN1–I_INN Stromeingänge sind und F₁–F_N die Transferfunktionen der Eingangsteilschaltungen sind.
1A zeigt eine Mehrfacheingang-Mindestausgangsspannungsauswahlschaltung 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In der Ausführungsform kann die Schaltung 100 eine Vielzahl von gemeinsam konstruierten Eingangsteilschaltungen 110.1–110.N aufweisen, die an ein jeweiliges Eingangsspannungssignal V_IN1–V_INN gekoppelt sind. Jede Eingangsteilschaltung 110.1–110.N kann ein jeweiliges Eingangsstromsignal I_IN1–I_INN aufweisen. Die Eingangsteilschaltungen 110.1–110.N können Ausgänge (jeweils dargestellt als N₁ _. ₁, ..., N_N.1) aufweisen, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sind. Eine Vorstromquelle 120 kann an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sein. In dem Beispiel aus 1A sind nur zwei Eingangsteilschaltungen detailliert dargestellt, doch können die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von N Eingangsteilschaltungen (nicht dargestellt) einschließen.
Jede Eingangsteilschaltung (beispielsweise Stufe 110.1) kann eine Transkonduktanzzelle 116.1, eine Diode 114.1, eine Rückkopplungsschaltung 112.1 und einen Spannungsfolger 118.1 aufweisen. Die Transkonduktanzzelle 116.1 kann einen nicht-invertierenden Eingang aufweisen, der an einen Anschluss für ein Eingangsspannungssignal V_IN1 gekoppelt ist, und einen invertierenden Eingang, der an einen Anschluss für ein Eingangsstromsignal I_IN1 gekoppelt ist. Ein Ausgang der Transkonduktanzzelle (dargestellt als Knoten N_1.2) kann an einen Spannungseingang des Spannungsfolgers 118.1 und an die Anode der Diode 114.1 gekoppelt sein. Die Kathode der Diode 114.1 (Knoten N_1.1) kann mit dem Ausgangsknoten V_OUT, der Rückkopplungsschaltung 112.1 und einem Spannungsausgang des Spannungsfolgers 118.1 verbunden sein. Ein zweiter Anschluss der Rückkopplungsschaltung 112.1 kann mit einem invertierenden Eingang der Transkonduktanzzelle 116.1 verbunden sein. Der Spannungsfolger 118.1 kann Strom, der in den Ausgang N_1.1 der Eingangsteilschaltung eingespeist wird, an eine Bezugsspannung zurückleiten, die als VEE dargestellt ist.
Rückkopplungsschaltungen 112.1–112.N der Eingangsteilschaltungen 110.1–110.N können eine Transferfunktion für jede Eingangsteilschaltung 110.1–110.N bestimmen, die auf die Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN angewandt werden. Daher können die Rückkopplungsschaltungen 112.1–112.N und Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN die Spannung bestimmen, die von einer Eingangsteilschaltung am Ausgangsknoten V_OUT geregelt wird. Die Transferfunktion jeder Eingangsteilschaltung kann Verzögerungen, Multiplikation, Klemmung, Verstärkung, Integration, Differenzierung, Filterung usw. einschließen.
Es soll nun die Schaltung 100 betrachtet werden, die gemäß. Gl. 1 arbeitet, wobei die Eingangsteilschaltung 110.1 ihren Ausgangsknoten N_1.1 auf ein Ausgangsspannungspotenzial regelt, das niedriger als die Ausgangsspannungen ist, die von den anderen Eingangsteilschaltungen angelegt werden. Da alle Ausgangsknoten der Eingangsteilschaltungen an Knoten V_OUT aneinander gekoppelt sind, konkurrieren die Eingangsteilschaltungen darum, die Gesamtausgangsspannung des gemeinsamen Knotens V_OUT einzustellen. Aufgrund seiner stark Strom ziehenden Eigenschaften (current sink nature) kann jeder Spannungsfolger 118.1–118.N nur die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT aktiv auf die jeweiligen Ausgangsspannungspotenziale der Eingangsteilschaltungen absenken. Daher kann die Spannung an Knoten V_OUT nur der Mindestwert der Ausgangsspannungen sein, die von den Eingangsteilschaltungen geregelt werden, in diesem Fall der Ausgangsspannung, die von Eingangsteilschaltung 110.1 geregelt wird. Da alle anderen Eingangsteilschaltungen außer 110.1 versuchen können, die Spannung am Knoten V_OUT auf Ausgangsspannungen mit höherem Potenzial zu regeln, können die jeweiligen Transkonduktanzzellen aller Eingangsteilschaltungen außer 110.1 einen begrenzten Strom liefern, um die Eingangsspannung ihrer jeweiligen Spannungsfolger zu erhöhen. Als Ergebnis kann der Spannungsfolger 118.1 aktiviert sein, während alle anderen deaktiviert sind, die Diode 114.1 kann in Sperrrichtung betrieben werden, während alle anderen Dioden in Durchlassrichtung betrieben werden. So kann die Eingangsteilschaltung 110.1 als aktiv betrachtet werden, während alle anderen Teilschaltungen als inaktiv betrachtet werden können. Die in Durchlassrichtung betriebenen Dioden 114.1–114.N können den Spannungseingang der jeweiligen Spannungsfolger 118.1–118.N in den inaktiven Eingangsteilschaltungen etwa beim Ausgang V_OUT + VF klemmen (wo VF die Durchlassspannung der jeweiligen Dioden 114.1–114.N darstellt), und können den begrenzten Strom, der von der Transkonduktanzzelle 116.N (und von anderen Transkonduktanzzellen aller anderen inaktiven Eingangsteilschaltungen) geliefert wird, an den Ausgangsknoten V_OUT und den Ausgang des Spannungsfolgers 118.1 leiten. Der Spannungsfolger 118.1 kann den Strom in den in Durchlassrichtung betriebenen Dioden 114.1–114.N an den Spannungsknoten VEE leiten.
1B zeigt eine beispielhafte Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung 100 aus 1A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei die Rückkopplungsschaltung ein Draht sein kann und zwei Teilschaltungen, N = 2, vorliegen. Auf diese Weise übt die Schaltung die Funktion eines Wählers der niedrigeren der zwei Eingangsspannungen (jeweils V_IN1 und V_INN) aus.
Die obere Darstellung aus 1B zeigt die Eingangsspannung V_IN1, die von 1 Volt auf 3 Volt gezogen wird, während V_INN konstant bei 2 Volt gehalten wird. Die mittlere Darstellung aus 1B zeigt, dass die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) einander in Spannung und Übergängen rasch kreuzen, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat. Die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) steigen in der Nähe der Versorgungsspannungspotenziale zudem weder an noch fallen sie ab, und sie können allgemein durch die Wirkung der Dioden in der Nähe der Spannung des gemeinsamen Ausgangsknotens V_OUT geklemmt werden. Die untere Darstellung aus 1B zeigt, dass die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT nach einer kurzen Übergangsperiode (zwischen zwei vertikalen gestrichelten Linien) bei der Mindestspannung zwischen V_IN1 und V_INN bleibt, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat.
Während beispielsweise V_IN1 zwischen 0 und 5 μs von 1 Volt auf 2 Volt ansteigt, kann die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von 0,3 Volt auf 1,3 Volt ansteigen und V_IN1 im Allgemeinen verfolgen. Da während dieser Zeitperiode V_INN höher als V_IN1 ist, kann der Spannungsfolger 118.1 aktiviert sein, der Spannungsfolger 118.N kann deaktiviert sein, die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 kann von der Diode 114.N bei etwa V_OUT + VF geklemmt werden und der Ausgang V_OUT kann auf etwa V_IN1 eingestellt sein. Die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 kann aufgrund der Vorspannung in Durchlassrichtung VF der Diode 114.N höher als V_INN ansteigen.
Zwischen 5 und 7 μs, während V_IN1 über V_INN ansteigt, fällt die Spannung am nichtinvertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 116.N unter die Spannung an ihrem invertierenden Anschluss. Somit senkt die Transkonduktanzzelle 116.N die Spannung des Knotens N_N.2. Das Senken der Spannung bei N_N.2 in Bezug auf V_OUT aktiviert den Spannungsfolger 118.N und deaktiviert die Diode 114.N. Der Spannungsfolger 118.N senkt die Spannung des Knotens V_OUT etwa auf den gleichen Wert wie V_INN ab. Wenn die Spannung V_OUT unter V_IN1 abfällt, fällt die Spannung am invertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 116.1 unter die Spannung an ihrem nicht-invertierenden Anschluss. Daher erhöht die Transkonduktanzzelle 116.1 die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2, der Spannungsfolger 118.1 wird deaktiviert und die Diode 114.1 wird in Durchlassrichtung betrieben.
Jenseits von 7 μs, während V_IN1 weiter über V_INN ansteigt, beginnt die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2, V_OUT und V_INN zu verfolgen. Während die Diode 114.1 in Durchlassrichtung geht und die Eingangsteilschaltung 110.N die Steuerung der Spannung V_OUT übernimmt, wird die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von der Diode 114.1 bei etwa V_OUT + VF geklemmt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Spannungsfolger 118.1–118.N einen PNP-Sperrschichttransistor (PNP-Transistor, Transistor, SST) aufweisen. Der Ausgang (jeweils N_1.2, N_N.2) der Transkonduktanzzelle kann mit der Anode einer Diode (jeweils 114.1, 114.N) und der Basis eines PNP-Sperrschichttransistors (jeweils 118.1, 118.N) verbunden sein. Der Kollektor des SST kann mit einer Spannungsversorgung mit niedrigem Potenzial (VEE) verbunden sein. Die Kathode der Diode (jeweils 114.1, 114.N) kann mit dem anderen Anschluss des Rückkopplungsnetzes (jeweils 112.1, 112.N), dem Emitter des SST, dem Ausgang der Teilschaltung (jeweils N_1.1, N_N.1) und dem gemeinsamen Ausgang (V_OUT) verbunden sein.
In einer anderen Ausführungsform können die Spannungsfolger (jeweils 118.1, 118.N) einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (PMOSFET) des P-Typs oder einen P-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (P-JFET) oder andere Typen von Feldeffekttransistoren (FET) aufweisen, wobei das Gate des MOSFET- oder JFET-Transistors mit dem Ausgang der Transkonduktanzzelle verbunden sein kann, die Source mit dem gemeinsamen Ausgangsknoten verbunden sein kann und das Drain mit der Bezugsspannung VEE verbunden sein kann.
In einer anderen Ausführungsform können die Dioden (jeweils 114.1, 114.N) jeweils von einem diodenverbundenen Transistor bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei jeder Diode um einen MOSFET des P-Typs oder einen P-Kanal-JFET handeln, mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Kathode der Diode und einer Source als einer Anode der Diode verbunden ist, oder alternativ um einen MOSFET des N-Typs oder einen N-Kanal-JFET mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Anode der Diode und einer Source als einer Kathode der Diode verbunden ist. Jede Diode kann ein PNP-Sperrschichttransistor sein, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist, oder alternativ ein NPN-Sperrschichttransistor, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist.
Die MOS-Transistorimplementierung der Schaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Integration der Schaltkomponenten auf Halbleiterchips ermöglichen, indem ein CMOS-Halbleiterfertigungsprozess benutzt wird, um die Größe und die Kosten der Schaltung und des Gesamtsystems zu reduzieren.
Jede Transkonduktanzzelle (jeweils 116.1, 116.N) kann an ihrem Ausgangsknoten (jeweils N_1.1, N_N.1) einen Ausgangsstrom erzeugen, der bis zu einer Auslegungsgrenze proportional zur Differenzeingangsspannung ist, die an sie angelegt wird, und kann die Stromlieferung begrenzen, d. h. den erzeugten Ausgangsstrom begrenzen, der aus der Transkonduktanzzelle fließt, derart, dass dieser wesentlich niedriger als der maximale Emitterstrom der Transistoren (jeweils 118.1, 118.N) ist. Im Fall, dass mehr als zwei Teilschaltungen vorliegen, kann die Stromlieferungskapazität der einzelnen Transkonduktanzzellen begrenzt sein, derart, dass die Summe der Stromlieferungsgrenzwerte aller Transkonduktanzzellen in allen Teilschaltungen minus dem Stromlieferungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle, die den Ausgang steuert, niedriger als der maximale Emitterstrom des Transistors sein kann, der die Ausgangsspannung regelt (hier 118.1).
2A zeigt eine Mehrfacheingang-Höchstausgangsspannungsauswahlschaltung 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In der Ausführungsform kann die Schaltung 200 eine Vielzahl gemeinsam konstruierter Eingangsteilschaltungen 210.1–210.N aufweisen, die an ein jeweiliges Eingangsspannungssignal V_IN1–V_INN gekoppelt sind. Jede Eingangsteilschaltung 210.1–210.N kann ein jeweiliges Eingangsstromsignal I_IN1–I_INN aufweisen. Die Eingangsteilschaltungen 210.1–210.N können Ausgänge (jeweils dargestellt als N_1.1, ..., N_N.1) aufweisen, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sind. Eine Vorstromquelle 220 kann an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sein. In dem Beispiel aus 2A sind nur zwei Eingangsteilschaltungen detailliert dargestellt, doch können die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von N Eingangsteilschaltungen (nicht dargestellt) einschließen.
Jede Eingangsteilschaltung (beispielsweise Stufe 210.1) kann eine Transkonduktanzzelle 216.1, eine Diode 214.1, eine Rückkopplungsschaltung 212.1 und einen Spannungsfolger 218.1 aufweisen. Die Transkonduktanzzelle 216.1 kann einen nicht-invertierenden Eingang aufweisen, der an einen Anschluss für ein Eingangsspannungssignal V_IN1 gekoppelt ist, und einen invertierenden Eingang, der an einen Anschluss für ein Eingangsstromsignal I_IN1 gekoppelt ist. Ein Ausgang der Transkonduktanzzelle (dargestellt als Knoten N_1.2) kann an einen Spannungseingang des Spannungsfolgers 218.1 und an die Kathode der Diode 214.1 gekoppelt sein. Die Anode der Diode 214.1 (Knoten N_1.1) kann mit dem Ausgangsknoten V_OUT, der Rückkopplungsschaltung 212.1 und einem Spannungsausgang des Spannungsfolgers 218.1 verbunden sein. Ein zweiter Anschluss der Rückkopplungsschaltung 212.1 kann mit einem invertierenden Eingang der Transkonduktanzzelle 216.1 verbunden sein. Der Spannungsfolger 218.1 kann Strom, der in den Ausgang N_1,1 der Eingangsteilschaltung eingespeist wird, an eine Bezugsspannung zurückleiten, die als VCC dargestellt ist.
Rückkopplungsschaltungen 212.1–212.N der Eingangsteilschaltungen 210.1–210.N können eine Transferfunktion für jede Eingangsteilschaltung 210.1–210.N bestimmen, die auf die Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN angewandt werden. Daher können die Rückkopplungsschaltungen 212.1–212.N und Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN die Spannung bestimmen, die von einer Eingangsteilschaltung am Ausgangsknoten V_OUT geregelt wird. Die Transferfunktion jeder Eingangsteilschaltung kann Verzögerungen, Multiplikation, Klemmung, Verstärkung, Integration, Differenzierung, Filterung usw. einschließen.
Es soll nun die Schaltung 200 betrachtet werden, die gemäß. Gl. 2 arbeitet, wobei die Eingangsteilschaltung 210.1 ihren Ausgangsknoten N_1.1 auf ein Ausgangsspannungspotenzial regelt, das höher als die Ausgangsspannungen ist, die von den anderen Eingangsteilschaltungen geregelt werden. Da alle Ausgangsknoten der Eingangsteilschaltungen an Knoten V_OUT aneinander gekoppelt sind, konkurrieren die Eingangsteilschaltungen darum, die Gesamtausgangsspannung des gemeinsamen Knotens V_OUT einzustellen. Aufgrund seiner stark Strom liefernden Eigenschaften kann jeder Spannungsfolger 218.1–218.N nur die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT aktiv auf die jeweiligen Ausgangsspannungspotenziale der Eingangsteilschaltungen absenken. Daher kann die Spannung an Knoten V_OUT nur der Höchstwert der Ausgangsspannungen sein, die von den Eingangsteilschaltungen geregelt werden, in diesem Fall der Ausgangsspannung, die von Eingangsteilschaltung 210.1 geregelt wird. Da alle anderen Eingangsteilschaltungen außer 210.1 versuchen können, die Spannung am Knoten V_OUT auf Ausgangsspannungen mit niedrigerem Potenzial zu regeln, können die jeweiligen Transkonduktanzzellen aller Eingangsteilschaltungen außer 210.1 einen begrenzten Strom ziehen, um die Eingangsspannung ihrer jeweiligen Spannungsfolger zu senken. Als Ergebnis kann der Spannungsfolger 218.1 aktiviert sein, während alle anderen deaktiviert sind, die Diode 214.1 kann in Sperrrichtung betrieben werden, während alle anderen Dioden in Durchlassrichtung betrieben werden. So kann die Eingangsteilschaltung 210.1 als aktiv betrachtet werden, während alle anderen Teilschaltungen als inaktiv betrachtet werden können. Die in Durchlassrichtung betriebenen Dioden 214.1–214.N können den Spannungseingang der jeweiligen Spannungsfolger 218.1–218.N in den inaktiven Eingangsteilschaltungen etwa beim Ausgang V_OUT + VF klemmen (wo VF die Durchlassspannung der jeweiligen Dioden 214.1–214.N darstellt), und können den begrenzten Strom, der von der Transkonduktanzzelle 216.N (und von anderen Transkonduktanzzellen aller anderen inaktiven Eingangsteilschaltungen) geliefert wird, an den Ausgangsknoten V_OUT und den Ausgang des Spannungsfolgers 218.1 leiten. Der Spannungsfolger 218.1 kann den Strom in den in Durchlassrichtung betriebenen Dioden 214.1–214.N an den Spannungsknoten VCC leiten.
2B zeigt eine beispielhafte Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung 200 aus 2A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei die Rückkopplungsschaltung ein Draht sein kann und zwei Teilschaltungen, N = 2, vorliegen. Auf diese Weise übt die Schaltung die Funktion eines Wählers der niedrigeren der zwei Eingangsspannungen (jeweils V_IN1 und V_INN) aus.
Die obere Darstellung aus 2B zeigt die Eingangsspannung V_IN1, die von 3 Volt auf 1 Volt gezogen wird, während V_INN konstant bei 2 Volt gehalten wird. Die mittlere Darstellung aus 2B zeigt, dass die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) einander in Spannung und Übergängen rasch kreuzen, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat. Die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) steigen in der Nähe der Versorgungsspannungspotenziale zudem weder an noch fallen sie ab, und sie können allgemein durch die Wirkung der Dioden in der Nähe der Spannung des gemeinsamen Ausgangsknotens V_OUT geklemmt werden. Die untere Darstellung aus 2B zeigt, dass die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT nach einer kurzen Übergangsperiode (zwischen zwei vertikalen gestrichelten Linien) bei der Höchstspannung zwischen V_IN1 und V_INN bleibt, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat.
Während beispielsweise V_IN1 zwischen 0 und 5 μs von 3 Volt auf 2 Volt abfällt, kann die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von 3,7 Volt auf 2,7 Volt abfallen und V_IN1 im Allgemeinen verfolgen. Da während dieser Zeitperiode V_INN niedriger als V_IN1 ist, kann der Spannungsfolger 218.1 aktiviert sein, der Spannungsfolger 218.N kann deaktiviert sein, die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 kann von der Diode 214.N bei etwa V_OUT – VF geklemmt werden und der Ausgang V_OUT kann auf etwa V_IN1 eingestellt sein. Die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 kann aufgrund der Vorspannung in Durchlassrichtung VF der Diode 214.N unter V_INN abfallen.
Zwischen 5 und 7 μs, während V_IN1 unter V_INN abfällt, steigt die Spannung am nichtinvertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 216.N über die Spannung an ihrem invertierenden Anschluss an. Somit erhöht die Transkonduktanzzelle 216.N die Spannung des Knotens N_N.2. Das Erhöhen der Spannung bei N_N.2 in Bezug auf V_OUT aktiviert den Spannungsfolger 218.N und deaktiviert die Diode 214.N. Der Spannungsfolger 218.N erhöht die Spannung des Knotens V_OUT etwa auf den gleichen Wert wie V. Wenn die Spannung V_OUT über V_IN1 ansteigt, steigt die Spannung am invertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 216.1 über die Spannung an ihrem nicht-invertierenden Anschluss an. Daher senkt die Transkonduktanzzelle 216.1 die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2, der Spannungsfolger 218.1 wird deaktiviert und die Diode 214.1 wird in Durchlassrichtung betrieben.
Jenseits von 7 μs, während V_IN1 weiter unter V_INN abfällt, beginnt die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 V_OUT und V_INN zu verfolgen. Während die Diode 214.1 in Durchlassrichtung geht und die Eingangsteilschaltung 210.N die Steuerung der Spannung V_OUT übernimmt, wird die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von der Diode 214.1 bei etwa V_OUT–VF geklemmt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Spannungsfolger 218.1–218.N einen NPN-Sperrschichttransistor (NPN-Transistor, Transistor, SST) aufweisen. Der Ausgang (jeweils N_1.2, N_N.2) der Transkonduktanzzelle kann mit der Kathode einer Diode (jeweils 214.1, 214.N) und der Basis eines NPN-Sperrschichttransistors (jeweils 218.1, 218.N) verbunden sein. Der Kollektor des SST kann mit einer Spannungsversorgung mit hohem Potenzial (VCC) verbunden sein. Die Anode der Diode (jeweils 214.1, 214.N) kann mit dem anderen Anschluss der Rückkopplungsschaltung (jeweils 212.1, 212.N), dem Emitter des SST, dem Ausgang der Teilschaltung (jeweils N_1.1, N_N _.1) und dem gemeinsamen Ausgang (V_OUT) verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die Spannungsfolger (jeweils 218.1, 218.N) einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (NMOSFET) des N-Typs oder einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (N-JFET) oder andere Typen von Feldeffekttransistoren (FET) aufweisen, wobei das Gate des MOSFET- oder JFET-Transistors mit dem Ausgang der Transkonduktanzzelle verbunden sein kann, die Source mit dem gemeinsamen Ausgangsknoten verbunden sein kann und das Drain mit der Bezugsspannung VCC verbunden sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform können die Dioden (jeweils 214.1, 214.N) jeweils von einem diodenverbundenen Transistor bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei jeder Diode um einen MOSFET des P-Typs oder einen P-Kanal-JFET handeln, mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Kathode der Diode und einer Source als einer Anode der Diode verbunden ist, oder alternativ um einen MOSFET des N-Typs oder einen N-Kanal-JFET mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Anode der Diode und einer Source als einer Kathode der Diode verbunden ist. Jede Diode kann ein PNP-Sperrschichttransistor sein, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist, oder alternativ ein NPN-Sperrschichttransistor, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist.
Die MOS-Transistorimplementierung der Schaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Integration der Schaltkomponenten auf Halbleiterchips ermöglichen, indem ein CMOS-Halbleiterfertigungsprozess benutzt wird, um die Größe und die Kosten der Schaltung und des Gesamtsystems zu reduzieren.
Jede Transkonduktanzzelle (jeweils 216.1, 216.N) kann an ihrem Ausgangsknoten (jeweils N_1.1, N_N.1) einen Ausgangsstrom erzeugen, der bis zu einer Auslegungsgrenze proportional zur Differenzeingangsspannung ist, die an sie angelegt wird, und kann die Stromziehung begrenzen, d. h. den erzeugten Ausgangsstrom begrenzen, der in die Transkonduktanzzelle fließt, derart, dass dieser wesentlich niedriger als der maximale Emitterstrom der Transistoren (jeweils 218.1, 218.N) ist. Im Fall, dass mehr als zwei Teilschaltungen vorliegen, kann die Stromziehungskapazität (current sinking capability) der einzelnen Transkonduktanzzellen begrenzt sein, derart, dass die Summe der Stromziehungsgrenzwerte aller Transkonduktanzzellen in allen Teilschaltungen minus dem Stromziehungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle, die den Ausgang steuert, niedriger als der maximale Emitterstrom des Transistor sein kann, der die Ausgangsspannung regelt (hier 218.1).
3A zeigt eine Mehrfacheingang-Mindestausgangsspannungsauswahlschaltung 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In der Ausführungsform kann die Schaltung 300 eine Vielzahl von gemeinsam konstruierten Eingangsteilschaltungen 310.1–310.N aufweisen, die an ein jeweiliges Eingangsspannungssignal V_IN1–V_INN gekoppelt sind. Jede Eingangsteilschaltung 310.1–310.N kann ein jeweiliges Eingangsstromsignal I_IN1–I_INN aufweisen. Die Eingangsteilschaltungen 310.1–310.N können Ausgänge (jeweils dargestellt als N_1.1, ..., N_N.1) aufweisen, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sind. Eine Vorstromquelle 322 kann an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sein. In dem Beispiel aus 3A sind nur zwei Eingangsteilschaltungen detailliert dargestellt, doch können die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von N Eingangsteilschaltungen (nicht dargestellt) einschließen.
Jede Eingangsteilschaltung (beispielsweise Stufe 310.1) kann eine Transkonduktanzzelle 316.1, eine Rückkopplungsschaltung 312.1 und einen Spannungsfolger 318.1 aufweisen. Die Transkonduktanzzelle 316.1 kann einen nicht-invertierenden Eingang aufweisen, der an einen Anschluss für ein Eingangsspannungssignal V_IN1 gekoppelt ist, und einen invertierenden Eingang, der an einen Anschluss für ein Eingangsstromsignal I_IN1 gekoppelt ist. Ein Ausgang der Transkonduktanzzelle (dargestellt als Knoten N_1.2) kann an einen Spannungseingang des Spannungsfolgers 318.1 gekoppelt sein. Der Knoten N_1.1 kann mit dem Ausgangsknoten V_OUT, der Rückkopplungsschaltung 312.1 und einem Spannungsausgang des Spannungsfolgers 318.1 verbunden sein. Ein zweiter Anschluss der Rückkopplungsschaltung 312.1 kann mit einem invertierenden Eingang der Transkonduktanzzelle 316.1 verbunden sein. Der Spannungsfolger 318.1 kann Strom, der in den Ausgang N_1.1 der Eingangsteilschaltung eingespeist wird, an eine Bezugsspannung zurückleiten, die als VEE dargestellt ist.
Die Mehrfacheingang-Auswahlschaltung 300 kann nahezu identisch mit der Schaltung 100 aus 1A sein, mit der Ausnahme, dass sie nun Diodenpaare (320.1, 320.2 hier als ein Paar) enthält, die parallel mit entgegengesetzter Polarität zur anderen Diode im jeweiligen Paar zwischen den jeweiligen Ausgängen der Transkonduktanzzellen jeder Paarkombination von Teilschaltungen verbunden sind. Mit anderen Worten, wenn drei Teilschaltungen mit drei Transkonduktanzzellen vorliegen, können drei Paare Dioden vorliegen, die eine Verbindung zwischen den Ausgängen der Transkonduktanzzellen von drei Paaren von Teilschaltungen herstellen. Wenn vier Teilschaltungen vorliegen, können sechs Paare Dioden vorliegen, die eine Verbindung zwischen den Ausgängen der Transkonduktanzzellen von sechs Paaren von Teilschaltungen herstellen.
Die Anzahl von Diodenpaaren (dargestellt als Xdiode_paar), die für eine Anzahl von N Teilschaltungen benötigt wird, kann ausgedrückt werden als: Xdiode_paar = N!/((N – 2)!·2), (für N >= 2, wobei a! = 1 × 2 × 3 × ... × a und 0! = 1).
Rückkopplungsschaltungen 312.1–312.N der Eingangsteilschaltungen 310.1–310.N können eine Transferfunktion für jede Eingangsteilschaltung 310.1–310.N bestimmen, die auf die Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN angewandt werden. Daher können die Rückkopplungsschaltungen 312.1–312.N und Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN die Spannung bestimmen, die von einer Eingangsteilschaltung am Ausgangsknoten V_OUT geregelt wird. Die Transferfunktion jeder Eingangsteilschaltung kann Verzögerungen, Multiplikation, Klemmung, Verstärkung, Integration, Differenzierung, Filterung usw. einschließen.
Es soll nun die Schaltung 300 betrachtet werden, die gemäß. Gl. 1 arbeitet, wobei die Eingangsteilschaltung 310.1 ihren Ausgangsknoten N_1.1 auf ein Ausgangsspannungspotenzial regelt, das niedriger als die Ausgangsspannungen ist, die von den anderen Eingangsteilschaltungen angelegt werden. Da alle Ausgangsknoten der Eingangsteilschaltungen an Knoten V_OUT aneinander gekoppelt sind, konkurrieren die Eingangsteilschaltungen darum, die Gesamtausgangsspannung des gemeinsamen Knotens V_OUT einzustellen. Aufgrund seiner stark Strom ziehenden Eigenschaften kann jeder Spannungsfolger 318.1–318.N nur die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT aktiv auf die jeweiligen Ausgangsspannungspotenziale der Eingangsteilschaltungen absenken. Daher kann die Spannung an Knoten V_OUT nur der Mindestwert der Ausgangsspannungen sein, die von den Eingangsteilschaltungen geregelt werden, in diesem Fall der Ausgangsspannung, die von Eingangsteilschaltung 310.1 geregelt wird. Da alle anderen Eingangsteilschaltungen außer 310.1 versuchen können, die Spannung am Knoten V_OUT auf Ausgangsspannungen mit höherem Potenzial zu regeln, können die jeweiligen Transkonduktanzzellen aller Eingangsteilschaltungen außer 310.1 einen begrenzten Strom liefern, um die Eingangsspannung ihrer jeweiligen Spannungsfolger zu erhöhen. Aufgrund dessen kann der Spannungsfolger 318.1 aktiviert sein, während alle anderen deaktiviert sind. So kann die Eingangsteilschaltung 310.1 als aktiv betrachtet werden, während alle anderen Teilschaltungen als inaktiv betrachtet werden können. Eine Diode in jedem Diodenpaar kann in Durchlassrichtung betrieben werden, während die andere Diode in jedem Diodenpaar in Sperrrichtung betrieben werden kann. Im vorliegenden Beispiel kann bei dem Diodenpaar 320.1 und 320.2 die Diode 320.2 in Durchlassrichtung betrieben werden, während die Diode 320.1 in Sperrrichtung betrieben werden kann. Die in Durchlassrichtung betriebenen Dioden in jedem Diodenpaar können den Spannungseingang der jeweiligen inaktiven Spannungsfolger (hier beispielsweise 318.N) in den inaktiven Eingangsteilschaltungen bei etwa v(N_1.2) + VF (wo VF die Durchlassspannung der jeweiligen Dioden 320.1 und 320.2 darstellt) klemmen und können den begrenzten Strom, der von der Transkonduktanzzelle 316.N (und von anderen Transkonduktanzzellen von allen anderen inaktiven Eingangsteilschaltungen) geliefert wird, an den Ausgang der Transkonduktanzzelle der aktiven Eingangsteilschaltung (hier beispielsweise 316.1) leiten. Der Spannungsfolger 318.1 kann den gemeinsamen Knoten V_OUT dazu regeln, die Spannung von N_1.2 der aktiven Eingangsteilschaltung 316.1 zu verfolgen.
3B zeigt eine beispielhafte Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung 300 aus 3A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei die Rückkopplungsschaltung ein Draht sein kann und zwei Teilschaltungen, N = 2, vorliegen. Auf diese Weise übt die Schaltung die Funktion eines Wählers der niedrigeren der zwei Eingangsspannungen (jeweils V_IN1 und V_INN) aus.
Die obere Darstellung aus 3B zeigt die Eingangsspannung V_IN1, die von 1 Volt auf 3 Volt gezogen wird, während V_INN konstant bei 2 Volt gehalten wird. Die mittlere Darstellung aus 3B zeigt, dass die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) einander in Spannung und Übergängen rasch kreuzen, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat. Die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) steigen in der Nähe der Versorgungsspannungspotenziale zudem weder an noch fallen sie ab, und sie können allgemein durch die Wirkung der Dioden in der Nähe der Spannung des gemeinsamen Ausgangsknotens V_OUT geklemmt werden. Die untere Darstellung aus 3B zeigt, dass die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT nach einer kurzen Übergangsperiode (zwischen zwei vertikalen gestrichelten Linien) bei der Mindestspannung zwischen V_IN1 und V_INN bleibt, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat.
Während beispielsweise V_IN1 zwischen 0 und 5 μs von 1 Volt auf 2 Volt ansteigt, kann die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von 0,3 Volt auf 1,3 Volt ansteigen und V_IN1 im Allgemeinen verfolgen. Da während dieser Zeitperiode V_INN höher als V_IN1 ist, kann der Spannungsfolger 318.1 aktiviert sein, der Spannungsfolger 318.N kann deaktiviert sein, die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 wird von der Diode 320,2.N bei etwa v(N_1.2) + VF geklemmt, und der Ausgang V_OUT kann auf etwa V_IN1 eingestellt sein. Die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 kann aufgrund der Vorspannung in Durchlassrichtung VF der Diode 320.2 höher als V_INN ansteigen.
Zwischen 5 und 6,5 μs, während V_IN1 über V_INN ansteigt, fällt die Spannung am nicht-invertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 316.N unter die Spannung an ihrem invertierenden Anschluss. Somit senkt die Transkonduktanzzelle 316.N die Spannung des Knotens N_N.2. Wenn die Spannung V_OUT unter V_IN1 abfällt, fallt die Spannung am invertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 316.1 unter die Spannung an ihrem nicht-invertierenden Anschluss. Somit erhöht die Transkonduktanzzelle 316.1 die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2. Während die die Spannung bei N_N.2 unter die Spannung bei N_N.1 abfällt, wird die Diode 320.2 deaktiviert, und die Diode 320.1 wird in Durchlassrichtung betrieben. Der Spannungsfolger 318.1 wird deaktiviert, und der Spannungsfolger 318.N senkt die Spannung des Knotens V_OUT etwa auf den gleichen Wert wie V_INN ab.
Jenseits von 6,5 μs, während V_IN1 weiter über V_INN ansteigt, beginnt die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 V_OUT und V_INN zu verfolgen. Während die Diode 320.1 in Durchlassrichtung geht und die Eingangsteilschaltung 310.N die Steuerung des Ausgangs V_OUT übernimmt, wird die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von der Diode 320.1 bei etwa v(N_N _. ₂) + VF geklemmt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Spannungsfolger 318.1–318.N einen PNP-Sperrschichttransistor (PNP-Transistor, Transistor, SST) aufweisen. Der Ausgang (jeweils N_1.2, N_N.2) der Transkonduktanzzelle kann mit einem Anschluss eines Diodenpaars (jeweils 320.1, 320.2) verbunden werden, (sowie mit einem Anschluss jedes weiteren Paars Dioden für weitere Kombinationspaare von Teilschaltungen), und mit der Basis eines PNP-Sperrschichttransistors (jeweils 318.1, 318.N). Der andere Anschluss des Diodenpaars (jeweils 320.1, 320.2) kann mit dem Ausgang (jeweils N_1.2, N_N.2) der Transkonduktanzzelle einer anderen Eingangsteilschaltung verbunden sein. Der Kollektor des SST kann mit einer Spannungsversorgung mit niedrigem Potenzial (VEE) verbunden sein. Das andere Ende der Rückkopplungsschaltung (jeweils 312.1, 312.N) kann mit dem Emitter des SST, dem Ausgang der Teilschaltung (jeweils N_1.1, N_N.1) und dem gemeinsamen Ausgang (V_OUT) verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die Spannungsfolger (jeweils 318.1, 318.N) einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (PMOSFET) des P-Typs oder einen P-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (P-JFET) oder andere Typen von Feldeffekttransistoren (FET) aufweisen, wobei das Gate des MOSFET- oder JFET-Transistors mit dem Ausgang der Transkonduktanzzelle verbunden sein kann, die Source mit dem gemeinsamen Ausgangsknoten verbunden sein kann und das Drain mit der Bezugsspannung VEE verbunden sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform können die Dioden (jeweils 320.1, 320.2) jeweils von einem diodenverbundenen Transistor bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei jeder Diode um einen MOSFET des P-Typs oder einen P-Kanal-JFET handeln, mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Kathode der Diode und einer Source als einer Anode der Diode verbunden ist, oder alternativ um einen MOSFET des N-Typs oder einen N-Kanal-JFET mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Anode der Diode und einer Source als einer Kathode der Diode verbunden ist. Jede Diode kann ein PNP-Sperrschichttransistor sein, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist, oder alternativ ein NPN-Sperrschichttransistor, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist.
Die MOS-Transistorimplementierung der Schaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Integration der Schaltkomponenten auf Halbleiterchips ermöglichen, indem ein CMOS-Halbleiterfertigungsprozess benutzt wird, um die Größe und die Kosten der Schaltung und des Gesamtsystems zu reduzieren.
Jede Transkonduktanzzelle (jeweils 316.1, 316.N) kann an ihrem Ausgangsknoten (jeweils N_1.1, N_N.1) einen Ausgangsstrom erzeugen, der bis zu einer Auslegungsgrenze proportional zur Differenzeingangsspannung ist, die an sie angelegt wird, und kann die Stromlieferung begrenzen, d. h. den erzeugten Ausgangsstrom begrenzen, der aus der Transkonduktanzzelle fließt, derart, dass dieser wesentlich niedriger als der maximale Stromlieferungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle der aktiven Eingangsteilschaltung ist, die die Ausgangspannung steuert (hier 318.1). Im Fall, dass mehr als zwei Teilschaltungen vorliegen, kann die Stromlieferungskapazität der einzelnen Transkonduktanzzellen begrenzt sein, derart, dass die Summe der Stromlieferungsgrenzwerte aller Transkonduktanzzellen in allen Teilschaltungen minus dem Stromlieferungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle, die den Ausgang steuert, niedriger als der maximale Stromlieferungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle der aktiven Eingangsteilspannung sein kann, die die Ausgangsspannung steuert (hier 318.1).
4A zeigt eine Mehrfacheingang-Höchstausgangsspannungsauswahlschaltung 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In der Ausführungsform kann die Schaltung 400 eine Vielzahl von gemeinsam konstruierten Eingangsteilschaltungen 410.1–410.N aufweisen, die an ein jeweiliges Eingangsspannungssignal V_IN1–V_INN gekoppelt sind. Jede Eingangsteilschaltung 410.1–410.N kann ein jeweiliges Eingangsstromsignal I_IN1–I_INN aufweisen. Die Eingangsteilschaltungen 410.1–410.N können Ausgänge (jeweils dargestellt als N_1.1, ..., N_N.1) aufweisen, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sind. Eine Vorstromquelle 422 kann an einen gemeinsamen Ausgangsknoten V_OUT gekoppelt sein. In dem Beispiel aus 4A sind nur zwei Eingangsteilschaltungen detailliert dargestellt, doch können die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von N Eingangsteilschaltungen (nicht dargestellt) einschließen.
Jede Eingangsteilschaltung (beispielsweise Stufe 410.1) kann eine Transkonduktanzzelle 416.1, eine Rückkopplungsschaltung 412.1 und einen Spannungsfolger 418.1 aufweisen. Die Transkonduktanzzelle 416.1 kann einen nicht-invertierenden Eingang aufweisen, der an einen Anschluss für ein Eingangsspannungssignal V_IN1 gekoppelt ist, und einen invertierenden Eingang, der an einen Anschluss für ein Eingangsstromsignal I_IN1 gekoppelt ist. Ein Ausgang der Transkonduktanzzelle (dargestellt als Knoten N_1.2) kann an einen Spannungseingang des Spannungsfolgers 418.1 gekoppelt sein. Der Knoten N_1.1 kann mit dem Ausgangsknoten V_OUT, der Rückkopplungsschaltung 412.1 und einem Spannungsausgang des Spannungsfolgers 418.1 verbunden sein. Ein zweiter Anschluss der Rückkopplungsschaltung 412.1 kann mit einem invertierenden Eingang der Transkonduktanzzelle 416.1 verbunden sein. Der Spannungsfolger 418.1 kann Strom, der in den Ausgang N_1.1 der Eingangsteilschaltung eingespeist wird, an eine Bezugsspannung zurückleiten, die als VCC dargestellt ist.
Die Mehrfacheingang-Auswahlschaltung 400 kann nahezu identisch mit der Schaltung 100 aus 1A sein, mit der Ausnahme, dass sie nun Diodenpaare (420.1, 420.2 hier als ein Paar) enthält, die parallel mit entgegengesetzter Polarität zur anderen Diode im jeweiligen Paar zwischen den jeweiligen Ausgängen der Transkonduktanzzellen jeder Paarkombination von Teilschaltungen verbunden sind. Mit anderen Worten, wenn drei Teilschaltungen mit drei Transkonduktanzzellen vorliegen, können drei Paare Dioden vorliegen, die eine Verbindung zwischen den Ausgängen der Transkonduktanzzellen von drei Paaren von Teilschaltungen herstellen. Wenn vier Teilschaltungen vorliegen, können sechs Paare Dioden vorliegen, die eine Verbindung zwischen den Ausgängen der Transkonduktanzzellen von sechs Paaren von Teilschaltungen herstellen.
Die Anzahl von Diodenpaaren (dargestellt als Xdiode_paar), die für eine Anzahl von N Teilschaltungen benötigt wird, kann ausgedrückt werden als: Xdiode_paar = N!/((N– 2)!·2), (für N >= 2, wobei a! = 1 × 2 × 3 × ... × a und 0! = 1).
Rückkopplungsschaltungen 412.1–412.N der Eingangsteilschaltungen 410.1–410.N können eine Transferfunktion für jede Eingangsteilschaltung 410.1–410.N bestimmen, die auf die Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN angewandt werden. Daher können die Rückkopplungsschaltungen 412.1–412.N und Eingangssignale V_IN1–V_INN und I_IN1–I_INN die Spannung bestimmen, die von einer Eingangsteilschaltung am Ausgangsknoten V_OUT geregelt wird. Die Transferfunktion jeder Eingangsteilschaltung kann Verzögerungen, Multiplikation, Klemmung, Verstärkung, Integration, Differenzierung, Filterung usw. einschließen.
Es soll nun die Schaltung 400 betrachtet werden, die gemäß. Gl. 2 arbeitet, wobei die Eingangsteilschaltung 410.1 ihren Ausgangsknoten N_1.1 auf ein Ausgangsspannungspotenzial regelt, das höher als die Ausgangsspannungen ist, die von den anderen Eingangsteilschaltungen geregelt werden. Da alle Ausgangsknoten der Eingangsteilschaltungen an Knoten V_OUT aneinander gekoppelt sind, konkurrieren die Eingangsteilschaltungen darum, die Gesamtausgangsspannung des gemeinsamen Knotens V_OUT einzustellen. Aufgrund seiner stark Strom liefernden Eigenschaften kann jeder Spannungsfolger 418.1–418.N nur die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT aktiv auf die jeweiligen Ausgangsspannungspotenziale der Eingangsteilschaltungen absenken. Daher kann die Spannung an Knoten V_OUT nur der Höchstwert der Ausgangsspannungen sein, die von den Eingangsteilschaltungen geregelt werden, in diesem Fall der Ausgangsspannung, die von Eingangsteilschaltung 410.1 geregelt wird. Da alle anderen Eingangsteilschaltungen außer 410.1 versuchen können, die Spannung am Knoten V_OUT auf Ausgangsspannungen mit niedrigerem Potenzial zu regeln, können die jeweiligen Transkonduktanzzellen aller Eingangsteilschaltungen außer 410.1 einen begrenzten Strom ziehen, um die Eingangsspannung ihrer jeweiligen Spannungsfolger zu senken. Aufgrund dessen kann der Spannungsfolger 418.1 aktiviert sein, während alle anderen deaktiviert sind. So kann die Eingangsteilschaltung 410.1 als aktiv betrachtet werden, während alle anderen Teilschaltungen als inaktiv betrachtet werden können. Eine Diode in jedem Diodenpaar kann in Durchlassrichtung betrieben werden, während die andere Diode in jedem Diodenpaar in Sperrrichtung betrieben werden kann. Im vorliegenden Beispiel kann bei dem Diodenpaar 420.1 und 420.2 die Diode 420.1 in Durchlassrichtung betrieben werden, während die Diode 420.2 in Sperrrichtung betrieben werden kann. Die in Durchlassrichtung betriebenen Dioden in jedem Diodenpaar können den Spannungseingang der jeweiligen inaktiven Spannungsfolger (hier beispielsweise 418.N) in den inaktiven Eingangsteilschaltungen bei etwa v(N_1.2) – VF (wo VF die Durchlassspannung der jeweiligen Dioden 420.1 und 420.2 darstellt) klemmen und können den begrenzten Strom, der von der Transkonduktanzzelle 416.N (und von anderen Transkonduktanzzellen von allen anderen inaktiven Eingangsteilschaltungen) gezogen wird, an die Transkonduktanzzelle der aktiven Eingangsteilschaltung (hier beispielsweise 416.1) leiten. Der Spannungsfolger 418.1 kann den gemeinsamen Knoten V_OUT dazu regeln, die Spannung von N_1.2 der aktiven Eingangsteilschaltung 416.1 zu verfolgen.
4B zeigt eine beispielhafte Darstellung von Spannungsschaltkennlinien der Schaltung 400 aus 4A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei die Rückkopplungsschaltung ein Draht sein kann und zwei Teilschaltungen, N = 2, vorliegen. Auf diese Weise übt die Schaltung die Funktion eines Wählers der niedrigeren der zwei Eingangsspannungen (jeweils V_IN1 und V_INN) aus.
Die obere Darstellung aus 4B zeigt die Eingangsspannung V_IN1, die von 3 Volt auf 1 Volt gezogen wird, während V_INN konstant bei 2 Volt gehalten wird. Die mittlere Darstellung aus 4B zeigt, dass die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) einander in Spannung und Übergängen rasch kreuzen, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat. Die Zwischenausgänge (jeweils N_1.2, N_N.2) steigen in der Nähe der Versorgungsspannungspotenziale zudem weder an noch fallen sie ab, und sie können allgemein durch die Wirkung der Dioden in der Nähe der Spannung des gemeinsamen Ausgangsknotens V_OUT geklemmt werden. Die untere Darstellung aus 4B zeigt, dass die Spannung des gemeinsamen Knotens V_OUT nach einer kurzen Übergangsperiode (zwischen zwei vertikalen gestrichelten Linien) bei der Höchstspannung zwischen V_IN1 und V_INN bleibt, sobald die Eingangsspannung V_IN1 die Eingangsspannung V_INN gekreuzt hat.
Während beispielsweise V_IN1 zwischen 0 und 5 μs von 3 Volt auf 2 Volt abfällt, kann die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von 3,7 Volt auf 2,7 Volt abfallen und V_IN1 im Allgemeinen verfolgen. Da während dieser Zeitperiode V_INN niedriger als V_IN1 ist, kann der Spannungsfolger 418.1 aktiviert sein, der Spannungsfolger 418.N kann deaktiviert sein, die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 wird von der Diode 420.1 bei etwa v(N_1.2) – VF geklemmt, und der Ausgang V_OUT kann auf etwa V_IN1 eingestellt sein. Die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 kann aufgrund der Vorspannung in Durchlassrichtung VF der Diode 420.2 unter V_INN abfallen.
Zwischen 5 und 6,5 μs, während V_IN1 unter V_INN abfällt, steigt die Spannung am nicht-invertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 416.N über die Spannung an ihrem invertierenden Anschluss an. Somit erhöht die Transkonduktanzzelle 416.N die Spannung des Knotens N_N.2. Wenn die Spannung V_OUT über V_IN1 ansteigt, steigt die Spannung am invertierenden Anschluss der Transkonduktanzzelle 416.1 über die Spannung an ihrem nicht-invertierenden Anschluss an. Somit senkt die Transkonduktanzzelle 416.1 die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2. Während die die Spannung bei N_N.2 über die Spannung bei N_N.1 ansteigt, wird die Diode 420.1 deaktiviert, und die Diode 420.2 wird in Durchlassrichtung betrieben. Der Spannungsfolger 418.1 wird deaktiviert, und der Spannungsfolger 418.N hebt die Spannung des Knotens V_OUT etwa auf den gleichen Wert wie V_INN an.
Jenseits von 7 μs, während V_IN1 weiter unter V_INN abfällt, beginnt die Spannung des Zwischenausgangs N_N.2 V_OUT und V_INN zu verfolgen. Während die Diode 420.2 in Durchlassrichtung geht und die Eingangsteilschaltung 410.N die Steuerung des Ausgangs V_OUT übernimmt, wird die Spannung des Zwischenausgangs N_1.2 von der Diode 420.2 bei etwa v(N_N.2) – VF geklemmt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Spannungsfolger 418.1–418.N einen NPN-Sperrschichttransistor (NPN-Transistor, Transistor, SST) aufweisen. Der Ausgang (jeweils N_1.2, N_N.2) der Transkonduktanzzelle kann mit einem Anschluss eines Diodenpaars (jeweils 420.1, 420.2) verbunden werden, (sowie mit einem Anschluss jedes weiteren Paars Dioden für weitere Kombinationspaare von Teilschaltungen), und mit der Basis eines NPN-Sperrschichttransistors (jeweils 418.1, 418.N). Der andere Anschluss des Diodenpaars (jeweils 420.1, 420.2) kann mit dem Ausgang (jeweils N_1.2, N_N.2) der Transkonduktanzzelle einer anderen Eingangsteilschaltung verbunden sein. Der Kollektor des SST kann mit einer Spannungsversorgung mit hohem Potenzial (VCC) verbunden sein. Das andere Ende der Rückkopplungsschaltung (jeweils 412.1, 412.N) kann mit dem Emitter des SST, dem Ausgang der Teilschaltung (jeweils N_1.1, N_N.1) und dem gemeinsamen Ausgang (V_OUT) verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform können die Spannungsfolger (jeweils 418.1, 418.N) einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (NMOSFET) des N-Typs oder einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor (N-JFET) oder andere Typen von Feldeffekttransistoren (FET) aufweisen, wobei das Gate des MOSFET- oder JFET-Transistors mit dem Ausgang der Transkonduktanzzelle verbunden sein kann, die Source mit dem gemeinsamen Ausgangsknoten verbunden sein kann und das Drain mit der Bezugsspannung VCC verbunden sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform können die Dioden (jeweils 420.1, 420.2) jeweils von einem diodenverbundenen Transistor bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei jeder Diode um einen MOSFET des P-Typs oder einen P-Kanal-JFET handeln, mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Kathode der Diode und einer Source als einer Anode der Diode verbunden ist, oder alternativ um einen MOSFET des N-Typs oder einen N-Kanal-JFET mit einem Drain, das mit einem Gate als eine Anode der Diode und einer Source als einer Kathode der Diode verbunden ist. Jede Diode kann ein PNP-Sperrschichttransistor sein, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist, oder alternativ ein NPN-Sperrschichttransistor, wobei der Kollektor und die Basis als eine Kathode der Diode verbunden sind, und ein Emitter als eine Anode verbunden ist.
Die MOS-Transistorimplementierung der Schaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Integration der Schaltkomponenten auf Halbleiterchips ermöglichen, indem ein CMOS-Halbleiterfertigungsprozess benutzt wird, um die Größe und die Kosten der Schaltung und des Gesamtsystems t zu reduzieren.
Jede Transkonduktanzzelle (jeweils 416.1, 416.N) kann an ihrem Ausgangsknoten (jeweils N_1.1, N_N.1) einen Ausgangsstrom erzeugen, der bis zu einer Auslegungsgrenze proportional zur Differenzeingangsspannung ist, die an sie angelegt wird, und kann die Stromlieferung begrenzen, d. h. den erzeugten Ausgangsstrom begrenzen, der aus der Transkonduktanzzelle fließt, derart, dass dieser wesentlich niedriger als der maximale Stromlieferungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle der aktiven Eingangsteilschaltung ist, die die Ausgangspannung steuert (hier 418.1). Im Fall, dass mehr als zwei Teilschaltungen vorliegen, kann die Stromziehungskapazität der einzelnen Transkonduktanzzellen begrenzt sein, derart, dass die Summe der Stromziehungsgrenzwerte aller Transkonduktanzzellen in allen Teilschaltungen minus dem Stromziehungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle, die den Ausgang steuert, niedriger als der maximale Stromziehungsgrenzwert der Transkonduktanzzelle der aktiven Eingangsteilspannung sein kann, die die Ausgangsspannung steuert (hier 418.1).
5 zeigt eine beispielhafte Transkonduktanzzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine beispielhafte zweistufige Transkonduktanzzelle 500 zur Verwendung in einer beispielhaften Schaltung (wie etwa aus 1A und 3A) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Die beispielhafte Transkonduktanzzelle 500 kann von einer positiven Spannungsversorgung (VCC) und einer negativen Spannungsversorgung (VEE) betrieben werden und kann einen nicht-invertierenden Spannungseingang (V_P) und einen invertierenden Spannungseingang (V_N) aufweisen. Die Transkonduktanzzelle 500 kann ein Paar PNP-SST (jeweils 518.1, 518.N) aufweisen, deren jeweilige Emitter miteinander verbunden sind, und mit einer Stromquelle (5IT) verbunden sein, die mit VCC verbunden sein kann. Die Basen der SST (518.1 und 518.N) können jeweils mit dem invertierenden bzw. dem nicht-invertierenden Spannungseingang (V_P bzw. V_N) verbunden sein. Die Kollektoren der SST (518.1 und 518.N) können jeweils mit dem Eingangs- und Ausgangsanschluss eines Stromspiegels (5MIRROR) verbunden sein, der mit VEE verbunden sein kann.
Ein NPN-SST (518.3) kann mit seiner Basis mit dem Ausgangsanschluss des Stromspiegels (5MIRROR) verbunden sein. Der Emitter des SST (518.3) kann mit einer Stromquelle (5IB) verbunden sein, die mit VEE verbunden sein kann. Der Kollektor des SST (518.3) kann mit VCC verbunden sein.
Ein NPN-SST (518.4) kann mit seiner Basis mit dem Emitter des SST (518.3) verbunden sein, sein Emitter kann mit VEE verbunden sein und sein Kollektor kann mit einer Stromquelle (5IC) verbunden sein, die mit VCC verbunden sein kann. Ein Kompensationskondensator (5C) kann einen Anschluss aufweisen, der mit der Basis des SST (518.3) verbunden ist, während der andere Anschluss mit dem Kollektor des SST (518.4) verbunden ist. Der Kollektor des SST (518.4) kann mit einem Ausgangsknoten (IOUT) verbunden sein.
In dieser beispielhaften Transkonduktanzzelle 500 kann die Stromquelle (5IC) die Stromlieferung (den von VCC an IOUT durch 5IC fließenden Strom) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung begrenzen, wie sie in den beispielhaften Schaltungen (100, 300) aus 1A und 3A beschrieben wurde.
6 zeigt eine weitere beispielhafte Transkonduktanzzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt eine beispielhafte zweistufige Transkonduktanzzelle 600 zur Verwendung in einer beispielhaften Schaltung (wie etwa aus 2A und 4A) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Die beispielhafte Transkonduktanzzelle 600 kann von einer positiven Spannungsversorgung (VCC) und einer negativen Spannungsversorgung (VEE) betrieben werden und kann einen nicht-invertierenden Spannungseingang (V_P) und einen invertierenden Spannungseingang (V_N) aufweisen. Die Transkonduktanzzelle 600 kann ein Paar NPN-SST (jeweils 618.1, 618.N) aufweisen, deren jeweilige Emitter miteinander verbunden sind, und mit einer Stromquelle (6IT) verbunden sein, die mit VEE verbunden sein kann. Die Basen der SST (618.1 und 618.N) können jeweils mit dem invertierenden bzw. dem nicht-invertierenden Spannungseingang (V_P bzw. V_N) verbunden sein. Die Kollektoren der SST (618.1 und 618.N) können jeweils mit dem Eingangs- und Ausgangsanschluss eines Stromspiegels (6MIRROR) verbunden sein, der mit VCC verbunden sein kann.
Ein PNP-SST (618.3) kann mit seiner Basis mit dem Ausgangsanschluss des Stromspiegels (6MIRROR) verbunden sein. Der Emitter des SST (618.3) kann mit einer Stromquelle (6IB) verbunden sein, die mit VEE verbunden sein kann. Der Kollektor des SST (618.3) kann mit VCC verbunden sein.
Ein PNP-SST (618.4) kann mit seiner Basis mit dem Emitter des SST (618.3) verbunden sein, sein Emitter kann mit VEE verbunden sein und sein Kollektor kann mit einer Stromquelle (6IC) verbunden sein, die mit VCC verbunden sein kann. Ein Kompensationskondensator (6C) kann einen Anschluss aufweisen, der mit der Basis des SST (618.3) verbunden ist, während der andere Anschluss mit dem Kollektor des SST (618.4) verbunden ist. Der Kollektor des SST (618.4) kann mit einem Ausgangsknoten (IOUT) verbunden sein.
In dieser beispielhaften Transkonduktanzzelle 600 kann die Stromquelle (6IC) die Stromziehung (den von IOUT an VEE durch 6IC fließenden Strom) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung begrenzen, wie sie in den beispielhaften Schaltungen (200, 400) aus 2A und 4A beschrieben wurde.
In einer weiteren Ausführungsform können die NPN-SST Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren des N-Typs (NMOSFET) oder N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (N-JFET) oder andere Typen von Feldeffekttransistoren (FET) sein, und die PNP-SST können durch Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren des P-Typs (PMOSFET) oder P-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (P-JFET) oder andere Typen von Feldeffekttransistoren (FET) ersetzt werden.
Die MOS-Transistorimplementierung der Schaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Integration der Schaltkomponenten auf Halbleiterchips ermöglichen, indem ein CMOS-Halbleiterfertigungsprozess benutzt wird, um die Größe und die Kosten der Schaltung und des Systems insgesamt zu reduzieren.
Es versteht sich, dass die Offenbarung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und dass eine beliebige Anzahl von Szenarien und Ausführungsformen vorliegen kann.
Obwohl die Offenbarung unter Bezugnahme auf mehrere beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass die verwendeten Begriffe beschreibende und veranschaulichende Begriffe und keine einschränkenden Begriffe sind. Im Rahmen der beigefügten Ansprüche in ihrer derzeit angegebenen und geänderten Form können Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Geist der Offenbarung in ihren Aspekten abzuweichen. Obwohl die Offenbarung unter Bezugnahme auf bestimmte Mittel, Materialien und Ausführungsformen beschrieben wurde, soll die Offenbarung nicht auf die offenbarten Einzelheiten beschränkt sein; vielmehr erstreckt sich die Offenbarung auf alle funktionell äquivalenten Strukturen, Verfahren und Verwendungen, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.
Obwohl die vorliegende Anmeldung bestimmte Ausführungsformen beschreibt, die als Codesegmente in computerlesbaren Medien implementierbar sind, versteht es sich, dass dedizierte Hardware-Implementierungen wie etwa anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, programmierbare Logik-Arrays und sonstige Hardware-Vorrichtungen konstruiert werden können, um eine oder mehrere hier beschriebene Ausführungsformen zu implementieren. Anwendungen, die die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen einschließen können, können im breiten Sinne verschiedene elektronische und Computersysteme einschließen. Entsprechend kann die vorliegende Anwendung Software-, Firmware- und Hardware-Implementierungen oder Kombinationen davon umfassen.
Die vorliegende Beschreibung beschreibt Komponenten und Funktionen, die in bestimmten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf bestimmte Standards und Protokolle implementiert werden können, doch die Offenbarung ist nicht auf diese Standards und Protokolle beschränkt. Standards dieser Art werden regelmäßig durch schnellere oder effizientere Äquivalente mit im Wesentlichen gleichen Funktionen ersetzt. Entsprechend gelten Ersatzstandards und -protokolle mit gleichen oder ähnlichen Funktionen als Äquivalente davon.
Die Illustrationen der hier beschriebenen Ausführungsformen sollen ein allgemeines Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen ermöglichen. Die Illustrationen sollen nicht als vollständige Beschreibung aller Elemente und Merkmale von Vorrichtungen und Systemen dienen, die die hier beschriebenen Strukturen oder Verfahren nutzen. Nach der Lektüre der Offenbarung können für Fachleute viele andere Ausführungsformen ersichtlich werden. Andere Ausführungsformen können benutzt und von der Offenbarung abgeleitet werden, so dass strukturelle und logische Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Auch sind die Illustrationen nur repräsentativ und nicht zwingend maßstabsgetreu. Bestimmte Proportionen innerhalb der Illustrationen können übertrieben und andere Proportionen verkleinert dargestellt sein. Daher sind die Offenbarung und die Figuren nicht als einschränkend, sondern als veranschaulichend zu betrachten.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Offenbarung können hier allein aus praktischen Gründen einzeln und/oder kollektiv mit dem Begriff „Offenbarung” bezeichnet werden, ohne dass dadurch der Umfang dieser Anmeldung auf eine bestimmte Offenbarung oder ein bestimmtes erfinderisches Konzept beschränkt werden soll. Obwohl hier ferner bestimmte spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, versteht es sich, dass etwaige spätere Anordnungen, die zum Erreichen des gleichen oder eines ähnlichen Zwecks ausgelegt werden, anstelle der spezifischen dargestellten Ausführungsformen treten können. Diese Offenbarung soll alle etwaigen späteren Anpassungen oder Abwandlungen verschiedener Ausführungsformen abdecken. Kombinationen der vorstehenden Ausführungsformen und anderer Ausführungsformen, die hier nicht ausdrücklich beschrieben werden, werden nach der Lektüre der Beschreibung für Fachleute ersichtlich sein.
In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung können zudem verschiedene Merkmale zusammen gruppiert oder in einer einzelnen Ausführungsform beschrieben werden, um die Offenbarung knapper zu gestalten. Diese Offenbarung ist nicht als die Absicht zu verstehen, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale erfordern als jeweils in den Ansprüchen ausdrücklich genannt. Wie die folgenden Ansprüche zeigen, kann der Gegenstand der Erfindung vielmehr in weniger als allen Merkmalen einer jeweils offenbarten Ausführungsform liegen. Die folgenden Ansprüche werden daher in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als Definition eines separat beanspruchten Gegenstands für sich allein steht.
Der oben offenbarte Gegenstand gilt als veranschaulichend und nicht einschränkend, und die beigefügten Ansprüche sollen alle derartigen Modifikationen, Verbesserungen und sonstigen Ausführungsformen abdecken, die in den wahren Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen. Soweit rechtlich zulässig, ergibt sich der Umfang der vorliegenden Offenbarung daher aus der weitestzulässigen Auslegung der nachfolgenden Ansprüche und wird nicht von der vorstehenden ausführlichen Beschreibung begrenzt oder eingeschränkt.

Claims

Schaltungssystem, umfassend: eine Vielzahl von Eingangsteilschaltungen, die an den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt sind, wobei jede Eingangsteilschaltung Folgendes umfasst: eine Transkonduktanzzelle mit einem ersten Eingang für ein jeweiliges Eingangssignal von einer Vielzahl von Eingangssignalen und einem Ausgang für ein Ausgangsstromsignal, eine Diode, die zwischen einen Ausgang der Transkonduktanzzelle und den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt ist, eine Rückkopplungsschaltung, die zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten und einen zweiten Eingang der Transkonduktanzzelle gekoppelt ist, und einen Spannungsfolger mit einem Ausgang, der an den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt ist, einem Eingang, der an den Ausgang der Transkonduktanzzelle gekoppelt ist, und einem gemeinsamen Anschluss, der an eine Bezugsspannung gekoppelt ist.
Schaltungssystem, umfassend: wenigstens zwei Eingangsteilschaltungen, die an den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt sind, wobei jede Eingangsteilschaltung Folgendes umfasst: eine Transkonduktanzzelle mit einem ersten Eingang für ein jeweiliges Eingangssignal von einer Vielzahl von Eingangssignalen und einem Ausgang für ein Ausgangsstromsignal, eine Rückkopplungsschaltung, die zwischen den gemeinsamen Ausgangsknoten und einen zweiten Eingang der Transkonduktanzzelle gekoppelt ist, und einen Spannungsfolger mit einem Ausgang, der an den gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt ist, einem Eingang, der an den Ausgang der Transkonduktanzzelle gekoppelt ist, und einem gemeinsamen Anschluss, der an eine Bezugsspannung gekoppelt ist; und eine Vielzahl von Dioden, die parallel miteinander und entgegengesetzt relativ zu einander ausgerichtet verbunden sind und bei jedem Paar Eingangsteilschaltungen eine Koppelung zwischen Ausgängen der Transkonduktanzzellen herstellen.
Schaltungssystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Stromquelle, die an einen gemeinsamen Ausgangsknoten gekoppelt ist; wobei die Bezugsspannung eine Spannungsversorgung ist, die Strom aufnimmt, der in den gemeinsamen Ausgangsknoten eingespeist wird.
Schaltungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Rückkopplungsschaltung jeder Eingangsteilschaltung bei Aktivierung jeweils den ersten Eingang und den zweiten Eingang verarbeitet, um den gemeinsamen Ausgangsknoten auf eine Ausgangsspannung mit einem jeweiligen Potenzial zu regeln.
Schaltungssystem nach Anspruch 4, wobei die Diode dazu ausgerichtet ist, Strom zu leiten, der nur von der Transkonduktanzzelle zum gemeinsamen Ausgangsknoten fließt.
Schaltungssystem nach Anspruch 5, wobei das Schaltungssystem die Mindestspannung unter allen Ausgangsspannungen mit einem jeweiligen Potenzial auswählt.
Schaltungssystem nach Anspruch 4, wobei die Diode dazu ausgerichtet ist, Strom zu leiten, der nur vom gemeinsamen Ausgangsknoten zur Transkonduktanzzelle fließt.
Schaltungssystem nach Anspruch 7, wobei das Schaltungssystem die Höchstspannung unter allen Ausgangsspannungen mit einem jeweiligen Potenzial auswählt.
Schaltungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Spannungsfolger einer von einem Sperrschichttransistor, einem Metalloxid-Halbleiter-(MOS)-Transistor und einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) ist.
Schaltungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Diode eine Übergangsdiode oder ein diodenverbundener Transistor ist.
Schaltungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausgangsstromsignal der Transkonduktanzzelle strombegrenzt ist.
Schaltungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Rückkopplungsschaltung wenigstens eins von einer Verzögerung, einer Multiplikation, einem Klemmen, einer Verstärkung, einer Integration, einer Differenzierung und einer Filterung durchführt.